Řadiče sink controller USB PD 3 napájejí aplikace USB Type-C

Možnost používání vlastních nabíječek firemních zařízení se rychle uzavírá, protože regionální regulační orgány vyžadují společné řešení nabíjení založené na standardním kabelu a konektoru USB typu C®. Konstruktéři produktů, kteří s cílem vyhovět tomuto standardu usilují o překonání regionálních požadavků, mohou své aplikace pro tuto novou éru optimalizovat využitím řadičů USB Power Delivery (PD), které komunikují o přenosu energie mezi zařízeními a nabíječkami.

Po prosinci 2024 musí v Evropské unii každé kabelové nabíjecí zařízení o výkonu do 100 W (notebooky jsou od této povinnosti dočasně osvobozeny do roku 2026) využívat nabíjecí port USB Type-C vyhovující specifikacím USB PD. Další mandáty pro přijetí tohoto standardu vstoupí v platnost v roce 2025 v Indii a Saúdské Arábii, po nich v roce 2026 v Kalifornii.

Samotné rozhraní USB Type-C je schopné dodávat pouze napětí 5 V při 3 A, celkem tedy 15 W. Dosažení výkonu 100 W vyžaduje specifikace USB PD 3.0 nebo USB PD 3.1, které zajistí, aby konektory Type-C byly schopné dodávat vyšší napětí a zároveň přenášet vysokorychlostní data.

Protokol USB PD 3.0 podporuje dodávku výkonu až 100 W a pevné napětí 5 V, 9 V, 15 V a 20 V s maximálním proudem 5 A. Aktualizovaná specifikace protokolu USB PD 3.1 obsahuje rozšíření Extended Power Range (EPR) a Advanced Voltage Supply (AVS), které zvyšují výstupní výkon až na 240 W a přidávají tři nová pevná napětí 28 V, 36 V a 48 V.

Standard USB PD 3.x nabízí oproti dřívějším verzím PD 2.0 zlepšení v objemu informací vyměňovaných mezi zátěží (sink - zařízením přijímajícím energii) a zdrojem (zařízením dodávajícím energii). Tyto informace nyní zahrnují faktory schopné ovlivňovat aplikaci, například stav nabíjení baterie zařízení, teplotu baterie, poruchy a přepětí.

Výkon 100 W dodávaný přes rozhraní USB PD 3.0 je dostatečný k nabíjení některých notebooků, monitorů a dokonce i televizorů. Standard USB PD dále podporuje video a audio výstup, včetně DisplayPort a HDMI, a protokoly přenosu dat, například Thunderbolt 3.

Poskytování vylepšených aplikací

Díky protokolu USB PD 3.x mohou konstruktéři produktů poskytovat uživatelům lepší zkušenosti s rychlejším nabíjením, přenosem dat a kompatibilitou zařízení s použitím jen jediného kabelu a konektoru. Mohou uplatnit nárok na snížení elektronického odpadu akumulovaného vlivem spotřebitelského a komerčního nabíjení více zařízení pomocí více kabelů a nabíječek.

Tato technologie umožňuje konstruktérům zjednodušit návrhy na menší počet portů a součástí. Konstruktéři tak mohou dále snížit výrobní a přepravní náklady díky redukci hmotnosti a dalších obalů nabíječek, jakož i času a úsilí potřebných k aktualizaci nových nabíječek pro konkrétní zařízení.

Díky použití jediného kabelu a konektoru pro více funkcí se mohou konstruktéři zaměřit na vytváření nových a vylepšených aplikací využívajících vysoký výkon a přenosové rychlosti standardu USB Type-C PD. Mohou také vylepšit uživatelské zkušenosti a funkčnost svých produktů pomocí dalších funkcí, jako jsou dokovací stanice, rozbočovače a převodníky, které rozšiřují konektivitu a kompatibilitu zařízení.

Při vývoji nových aplikací využívajících protokol USB PD 3.0 čelí konstruktéři produktů některým výzvám, například dodržování specifikace USB PD a zajištění interoperability s jinými zařízeními a nabíječkami.

Další zásadní otázkou je prevence poškození nebo zranění v důsledku přepětí, nadproudu nebo přepólování, zejména proto, že řešení využívající tuto technologii využívají složitější obvody a firmware než dřívější generace. K překonání těchto problémů pomáhají řadiče napájení podporující více protokolů a konfigurací, a vyhodnocovací desky umožňující rychlé vytváření prototypů a ověřování.

Uvedení rozhraní USB Type-C PD do provozu

Klíčovou vlastností rozhraní USB PD 3.0 je schopnost komunikovat a regulovat přenos energie mezi zátěží a zdrojem pomocí standardizovaného protokolu. Řadiče sink controller rozhraní USB PD komunikují se zdrojem USB PD, např. nabíječkou, aby získaly napájecí profil zařízení. Vyhovující zařízení mohou vyžadovat a dodávat různá napětí a proudy podle svých potřeb a možností a dynamicky regulovat výkonové úrovně během provozu.

Proces komunikace a řízení dodávky energie se skládá ze čtyř fází:

• Objev nastane tehdy, pokud se zátěž a zdroj vzájemně identifikují jako zařízení kompatibilní se standardem USB PD a vytvoří datový komunikační kanál přes konfigurační piny (CC) na konektoru USB Type-C.
• Výměna schopností nastává tehdy, pokud zdroj identifikuje své podporované napájecí profily, tedy úrovně napětí a proudu vzhledem k zátěži, která si následně vyžádá profil odpovídající jejím požadavkům.
• Napájecí kontrakt je proces, v rámci kterého zdroj přijme nebo odmítne požadavek zátěže. Pokud je požadavek přijat, zdroj začne dodávat požadovaný výkon do zátěže s využitím dohodnutých výkonových parametrů.
• Aktualizace pravidel napájení umožňuje zátěži nebo zdroji zahájit novou komunikaci o dodávce energie, aby se přizpůsobila změnám úrovně baterie, zátěže nebo změnám vstupního výkonu zdroje.

Standard USB PD 3.0 využívá rozšířené zprávy, které řídí výměnu informací mezi zátěží a zdrojem, například stav baterie, teplota nebo údaje specifické pro daného výrobce. Tento standard podporuje také režim programovatelného napájení (PPS) umožňující jemnější regulaci výstupního napětí a proudu zdroje a hladké přepínání rolí dodávky výkonu mezi zátěží a zdrojem bez přerušení datové komunikace.

Další klíčovou schopností standardu USB PD 3.0 je zpětné nabíjení, které umožňuje, aby zařízení s vyšší kapacitou baterie mohlo nabíjet zařízení s nižší kapacitou baterie bez ohledu na jejich výkonové role. Platí tedy, že například notebook může pomocí stejného kabelu USB Type-C nabíjet chytrý telefon nebo stejný chytrý telefon pak může nabíjet náhlavní soupravu, což je zřejmá výhoda pro uživatele, kteří mohou používat vždy jeden kabel pro nabíjení více zařízení.

Zpětné nabíjení však nemusí být kompatibilní se všemi zařízeními nebo nabíječkami. Takové řešení dále může vést ke snížení životnosti baterie zařízení plnícího úlohu zdroje a ke zvýšení složitosti obvodu a nákladů na jeho návrh. Proto je nutné, stejně jako u všech elektronických aplikací, aby konstruktéři produktů zvážili kompromis implementace zpětného nabíjení a ujistili se, zda splňují specifikace standardu USB PD 3.x a provedli test interoperability s řadou zařízení a nabíječek.

Řadiče sink controller rozhraní USB 3

Aby konstruktéři produktů zajistili u svých zařízení aktivaci funkce USB PD 3.x, mohou využívat vyhrazené řadiče sink controller podporující daný protokol a zajišťující komunikaci se zdrojovým zařízením.

Společnost Diodes Incorporated nabízí vysoce integrovaná a cenově výhodná řešení poskytující rychlé nabíjení, zpětné nabíjení, režim PPS a další funkce standardu USB PD 3.x. Tato řešení podporují také starší protokoly, například Qualcomm Quick Charge 4+ a Huawei FCP/SCP, které zajišťují kompatibilitu s širokou škálou nabíječek a adaptérů.

Obvod AP33771 (obrázek 1) je řadič USB PD 3.0 vybavený firmwarem kompatibilním se standardem USB PD 3.0 a rozhraním s předinstalovanou nabídkou napájení, což usnadňuje jeho používání. Obvod poskytuje jeden výstupní kanál schopný dodávat výkon až 27 W.

Obrázek 1: přiřazení pinů řadiče sink controller AP33771. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

Obvod AP33772 (obrázek 2) je řadič USB PD 3.0, který k nastavení výkonu a napětí využívá rozhraní I²C a vestavěný firmware. Toto řešení dává konstruktérům větší flexibilitu při implementaci všech funkcí zátěže PD. Řadič nabízí také dva výstupní kanály schopné dodávat výkon až 45 W a je vybaven vestavěným obvodem ochrany proti přepětí (OVP) pro každý kanál, který v případě vadné nabíječky nebo kabelu může zabránit poškození zařízení.

Obrázek 2: řadič AP33772 od společnosti Diodes je dodáván v pouzdru stejné velikosti jako obvod AP33771, avšak s jiným přiřazením pinů. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

Společnost Diodes dále nabízí řadič sink controller USB PD 3.1AP33771C, který podporuje napětí v režimu EPR/AVS až 28 V a standardní rozsah napájecího napětí (SPR)/PPS až 21 V.

Každý z těchto řadičů nabízí nízkou spotřebu energie v pohotovostním režimu, vysokou účinnost a funkci tepelné ochrany. Vzhledem k tomu, že řadiče jsou k dispozici v malých pouzdrech W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm), jsou vhodné pro kompaktní a přenosná zařízení.

Společnost Diodes pro své řadiče USB PD 3.0 dále nabízí dvě vyhodnocovací desky. Obě desky AP33771-EVB a AP33772-EVB jsou navrženy pro nabíjecí aplikace se zařízením vybaveným konektorem Type-C a s PD nabíječkou nebo adaptérem vybaveným konektorem Type-C. Deska AP33771-EVB používá ke komunikaci USB-PD jednoduché nastavení odporu, zatímco deska AP33772-EVB používá rozhraní I²C.

Závěr

Rozhraní USB Type-C má předpoklady stát se globálním standardem datové konektivity mezi zařízeními. Protokoly USB PD 3.x otevírají konstruktérům produktů cestu k vytváření aplikací, která jejich zařízením poskytují více energie, rychlejší nabíjení a lepší přenos dat pomocí celosvětově uznávaných konektorů a kabelů, čímž odstraňují potřebu nabíječek specifických pro konkrétní zařízení. Díky řešením od společnosti Diodes Incorporated mohou konstruktéři produktů do svých zařízení snadno integrovat protokol USB PD 3.0 nebo PD 3.1 a zvýšit tak výkon a zlepšit uživatelské zkušenosti.